基于磁感应通信的水下链式网络MAC协议研究

赵东阳,蔡文郁,刘一博,陈 宇

(1.杭州电子科技大学 电子信息学院,浙江 杭州 310018;2.近地面探测技术重点实验室,江苏 无锡 214035)

0 引 言

水下通信技术可分为两种,分别是水下有线通信和水下无线通信。水下有线通信可以通过铺设海底光缆来实现,工程实施难度大,成本高。相较于水下有线通信,水下无线通信更值得研究,且应用也更为广泛。水下无线通信主要有水声通信、水下电磁波通信、水下光通信和水下磁感应通信,各通信技术优劣对比如表1所示[1]。

表1 水下无线通信技术对比

水下无线磁感应通信技术,作为一种较为新兴的水下无线通信技术,具有低功耗、低时延、跨介质传输等优势,基于上述特性,把磁感应通信作为技术基础,来构建水下无线传感网络有着得天独厚的优势。由于工作环境在水下,水下无线传感网络通信技术与传统地面上的无线传感网络相比,通信介质不同、部署以及更替难度大。所以对于水下传感网络的媒质接入控制MAC(Medium Access Control Protocol,MAC)协议必须考虑更多的因素,设计一个有效的MAC协议可以在吞吐量、能耗、延迟和数据包投递率PDR (Packet Delivery Ratio)等方面都有着很明显的影响。

L. Sivagami[2]等人提出一种基于集群的水下无线传感网络冲突避免和TDMA(Time Division Multiple Address)调度MAC协议。最初,形成聚类,并根据节能分层聚类算法选择聚类头CH(Cluster Heads)。集群成员是CH的单跃点邻居,它们为所有集群成员安排数据发送时间。使用时空冲突表执行无冲突调度。这允许节点同时传输,只要它们的数据包在不同时间到达预定目的地。仿真结果表明,所提MAC协议在提高报文投递率的同时降低了时延和能耗。

由于时空不确定、节点远近变化、窄带宽和难同步等问题,基于竞争的MAC比无竞争的MAC协议更适合水下无线通信网络。为了解决这些问题,基于竞争的MAC协议按需共享网络资源。基于竞争的MAC协议可以细分为随机访问方法的MAC协议以及基于握手的MAC协议。随机访问方法适用于数据速率低、网络稀疏、数据包小的水下无线通信网络。相比之下,基于握手的MAC协议适用于数据速率高、网络更密集、数据包大、传输范围短、距离短的水下无线通信网络。

Ian F. Akyildiz[3]等人认为,载波侦听多路访问协议CSMA(Carrier Sense Multiple Access)方案可以很容易地用于基于水下磁感应通信,因为其传播延迟可以忽略不计。由于水下磁感应通信的工作频率相对较高,可以设计和实现频分多址FDMA(Frequency Division Multiple Access)。Niaz Ahmed[4]等人提出了一种用于无线通信网络中通信节点的节能MAC协议,同时适用于陆地和超无线通信器网络,具有极低的功耗和优化的网络效率。同样地,Burhan Gulbahar[5]等人对多个用户磁感应通信多址通道MAC进行了理论建模和分析,并对双用户MAC容量进行了明确详细的信道响应、带宽和耦合热噪声建模。多用户MAC容量是通过具有相应用户数优化的拉格朗日解决方案实现的。从理论上分析了最大化容量和接收功率的最佳方向,并对双用户MI-MAC进行了数值模拟。

对于高效的通信网络,能源消耗、网络吞吐量和服务质量QoS(Quality of Service)需求都是重要的性能指标。为了节省能源和提供更好的QoS,水下无线传感器网络倾向于使用跨层协议设计方法。Shih-Chun Lin[6]等人提出了一种用于无线地下传感器网络的分布式环境感知协议,而不是采用目前的分层协议方法。首先,详细概述了从物理层到网络层的不同通信功能以及应用程序的QoS要求。利用不同层之间的交互,开发一种称为DEAP(Distributed Environment-Aware Protocol)的分布式环境感知协议,以满足统计QoS保证,并同时实现最佳的节能和吞吐量增益。Supriya Tambe[7]等人针对基于磁感应通信的水下、地下传感网络,提出了一种通过优化簇的数量来减少传感网络能耗的跨层设计方法,但是每个MAC和网络层的能耗却增加了,论文通过权衡以最大程度地降低整体能耗。

本文针对以上研究现状与问题,提出了一种基于磁感应通信的水下链路网络MAC协议—LM-MAC,通过为每个节点设置不同的等级值和优化的睡眠机制提高网络传输效率。

1 基于磁感应通信的水下链式网络MAC协议设计

1.1 基于磁感应通信的水下链式网络架构

采用磁感应通信技术构建水下传感网络有着独特的优势,如通信距离适中、低延时、低功耗等。本文以磁感应通信为基础构建水下链式网络,通过高密度部署低成本的磁感应通信节点,实现一种较大范围的感知网络。水下链式通信网络的应用示意如图1所示,多个沿线部署的固定节点通过中继磁感应通信将数据汇聚到汇聚节点(Sink节点)。单链网络拓扑可以应用于水下油气管道检测,沿管道部署低成本磁感应通信节点,最终为管线检测提供可选的测量方案。

图1 水下链式网络总体架构

为了检验MAC协议的稳定性与泛化性,本文除了构建单链拓扑结构还构建了双链网络拓扑,网络中存在两个汇聚节点用于数据汇聚,单个节点除了可以和前后节点进行数据通信外,还可以和相邻单链网络中的其他节点进行通信,通信网络的覆盖范围进一步提高。

1.2 磁感应通信节点设计

本文设计了一种三线圈收发一体磁感应通信节点,实现了三维全向磁感应通信。整体硬件电路结构如图2所示,包括嵌入式主控模块、信号发送模块、信号接收模块、电源模块、收发功能切换模块,能量供给采用高密度的锂电池。

图2 三线圈全向磁感应通信电路结构图

三线圈全向磁感应耦合模型如图3所示,展示了位于Oxyz坐标系原点的发射线圈在感应线圈处的磁场分布情况如,感应耦合线圈设计成三维正交形状,从而保证全向都能达到磁通量的最大值。当三源线圈时该模型在正交坐标维度下扩展,通过实测电路参数可以获得等价元件参数。接收天线的三个线圈全部都能接收到信号,所以对于接收端的信号处理,就是选取接收信号强度最大的一个线圈,进行信号处理。

图3 三线圈全向磁感应耦合模型

1.3 LM-MAC协议

针对链式拓扑结构的水下磁感应网络系统,本文提出了一种基于等级划分的高效MAC协议,LM-MAC。LM-MAC协议根据每一个通信节点到汇聚节点的逻辑跳数给每个节点分配一个等级值:某一个通信节点的等级值越小,说明该通信节点到汇聚节点的跳数越少。每一个通信节点都拥有一个唯一ID(Identity Number)值和初始等级值0,汇聚节点的等级值设为0。每一个通信节点只会接收并转发来自等级值更大的节点数据,最终将数据聚集至汇聚节点,从而减少通信开销,提高网络能耗效率。

每个节点的等级建立过程如下:由汇聚节点广播带有自身等级值L=1的路由请求消息RREQ(Route Request),包括信源地址、广播ID、序列号、信源节点等级等字段。信源地址表示发送RREQ消息的节点地址,广播ID与源地址构成了一次RREQ消息的唯一表示。序列号是一个单调递增的数字,由每个发起节点管理,序列号用于检测该消息的新旧程度。若没有收到RREP(Route Reply)消息则重发RREQ消息,序列号加1,否则重置序列号。RREP消息包括信源地址、信宿地址、广播ID、序列号等字段。

等级更新过程如图4、图5所示:汇聚节点广播自身等级为Lcur=1,接收到该消息的节点如果自身等级Lcur≠1,则需更新自身等级为1,记录汇聚节点地址,并回复汇聚节点RREP消息。当等级为Lcur=i的节点接收到来自等级L=i-1的节点的消息,那么该节点的等级正确,并记录下发送消息的等级为i的节点地址,并回复RREQ消息。但是过程中往往会有许多不同的情况,首先接收到等级为L=i-1的节点的消息后,如果当前节点没有记录有效的低级地址则选择记录发送方的地址,并根据发送方的等级更新自己的等级为Lcur=i。如果已经记录了有效的路由信息,根据发送方的等级更新自己的等级为Lcur=i。整个网络等级更新将会定时进行,以维持整个通信网络的稳定性。

图4 1级节点的等级更新过程

图5 Lcur(Lcur≥2)级节点的等级更新过程

当所有节点都完成等级更新后,每个节点也已经构建一个简单的路由信息表,用于确定与周围节点的收发消息关系,确保不会存在由低等级节点向高等级节点传递信息的情况。该方法的优势在于节点不需要构建到达汇聚节点的路由表信息,只需要知道低于该节点1级的节点地址即可。这样,每一个通信节点都只需要知道整个通信网络都的局部信息,在传输消息到汇聚节点的过程都只有且仅有一条传输路径,就可以完成消息的传输。所有节点的等级信息更新完成之后,即可开始信息传输过程。

一个等级为i的通信节点一般具有四种状态:从等级为i+1的节点接收数据(状态R)、将数据发送给等级为i-1的节点(状态T)、睡眠状态S和监听状态Listening。通信方式借鉴了RTS/CTS握手机制,该机制也被广泛应用于一些现有的基于竞争MAC协议中,如F-MAC[8]、T-MAC[9]、S-MAC[10]等。以图6示例进行说明,假设节点C需要传输信息到传送到汇聚节点,首先节点C广播RTS(Ready To Send),如果一定时间内没有收到CTS(Clear To Send)消息,则再次广播。B节点在接收到C节点的RTS消息后,回复C节点CTS消息,C节点和B节点握手成功,开始数据传输,传输完成后,B节点回复C节点ACK消息确认,A节点在整个过程中都处于睡眠状态。然后B节点向A节点发送RTS消息,C节点接收到RTS消息后,但是B节点的等级比C节点高,所以不处理直接进入睡眠状态,A节点向B节点回复CTS消息,A节点和B节点握手成功,完成消息传递,A节点向B节点发送ACK(Acknowledgement Character)消息确认。迭代上述过程,直到将所有的传感数据中继传输至汇聚节点。

图6 LM-MAC协议数据传输过程

图6中SIFS(Short Inter-frame Space)为短帧间隔,表示了两帧之间最短的时间区段,IEEE 802.11规定SIFS为9.6us表示为96个比特时间,本文所研究的磁感应通信传输速率为1200bit/s,一个比特为833us,所以SIFS值设为79968us,约80ms。在LM-MAC中,发送节点的RTS数据包含该节点的等级信息,而且由于每一个节点都知道下一跳节点的地址,所以发送节点广播的RTS数据包含需要接收该信息的节点地址,相应的低级别节点的CTS数据就不会存在冲突,大幅度提高节点握手成功的概率。LM-MAC协议通过让干扰节点在听到RTS或CTS数据包后就进入睡眠状态来避免无用的监听。由于数据包通常比控制数据包长,因此该方法可以防止相邻节点监听到不需要的长数据包和ACK包。

在IEEE802.11[11]协议中,每一个节点会保持监听到来自其邻居节点的所有传输信息,以确保执行有效的虚拟载波监听。因此,每一个节点都会监听到并非执行自己的数据信息,从而造成能量的浪费,在节点密度高和数据负载很大时,更为明显。LM-MAC协议与IEEE802.11MAC主要有三个不同:发送节点发送的RTS包含该节点的等级信息,只有相邻的低级别节点才会用CTS应答;每个节点传输的地址根据节点的等级确定,在节点更新的过程中,可能会出现动态变化,以提高整个网络的效率与稳定性;发送节点广播RTS消息,会使用竞争窗口CW(Contention Window),退避时间在随机性的基础上,增加了等级的约束,随机退避时间backoff如公式(1)所示,所以等级低的节点优先级最高,在竞争过程,更容易获胜。

backoff=random[0,10]+10×(Lcur+1)

(1)

LM-MAC协议通过让干扰节点在听到RTS或CTS数据包后就进入睡眠状态来避免无用的监听。由于数据包通常比控制数据包长,因此该方法可以防止相邻节点监听到不需要的长数据包和ACK包。

由此可见,睡眠时间的设置对整个磁感应通信网络的工作效率至关重要。如图6所示,假设数据发送和数据接收所需的时间一致,数据发送T和数据接收R所需要的时间tT和tR为:

tT=tR=tDIFS+tCW+3tSIFS+tRTS+tCTS+tDATA+tACK

(2)

其中,tDIFS、tCW、tSIFS、tCTS、tRTS、tCTS、tDATA、tACK为对应消息所需要的时间。

如图6所示,节点C和节点A的睡眠状态时间分别为:

tSR=tCTS+3tSIFS+tDATA+tACK

(3)

tSC=2tSIFS+tDATA+tACK

(4)

睡眠时间的计算方式根据接收到进入睡眠状态的信号不同而不同:节点接收到RTS消息后,睡眠时间计算方式为3个SIFS时间、1个CST消息帧时间、1个DATA数据帧时间、1个ACK确认帧时间的总和;节点接收到CTS消息后,睡眠时间计算方式为2个SIFS时间、1个DATA数据帧时间、1个ACK确认帧时间的总和。

如图7所示,水下链式通信网络共包含六个节点,受限于最大通信距离,每个节点只能接收到相邻节点的数据。假如节点C要向节点D发送数据,为了保证节点D能够正确接收,节点F需要进入睡眠状态。节点A与节点E显然不会对D产生干扰,所以不需要进入睡眠状态。节点B距离节点D两跳距离,其数据传输不影响D的数据接收,但是由于节点C的数据传输占用了信道,所以节点B无法接收到有效的回应数据。如果节点A对节点B进行数据传输也是浪费能量,所以节点B也需进入睡眠状态,直到节点C对节点D的数据传输结束。

图7 传输信息状态分析

图8和表2详细叙述了LM-MAC协议的状态转移图及其状态转换条件。

图8 LM-MAC状态转移图

表2 状态转换条件

2 仿真与结果分析

2.1 仿真场景设置

为了验证LM-MAC协议的性能,本文利用OPNET网络模拟器对LM-MAC协议的性能进行分析。单链网络拓扑和双链网络拓扑如图9所示:单链网络拓扑由1个Sink节点和序号为1-7的传感器节点组成,竞争较小;双链网络拓扑由2个Sink节点和两排序号为1-7的传感器节点组成,除汇聚节点外的每个节点的下一跳都存在两个中继节点。在数据传输过程中同级的两个节点竞争同一个下级节点,所以数据冲突概率会大幅度提高。

图9 仿真网络拓扑结构

OPNET仿真中主要进程转换状态如图10所示,4个红色的状态分别为发送状态、接收状态、睡眠状态与监听状态。在发送状态下,有发送RTS帧、发送数据、等待CTS等状态转换;在接收状态下,有接收数据、发送CTS帧、接收ACK帧等状态转换;在睡眠状态下,节点处于低功耗状态等待唤醒;在监听状态下,根据监听到的信息进行状态转换,节点监听状态时会进行等级更新。

图10 OPNET仿真进程结构

2.2 仿真结果分析

本文采用如表3所示的指衡量标进行算法性能验证,网络吞吐量、传输时延、数据包投递率在不同网络负载情况下的性能比较。

表3 性能指标

本文分别仿真了LM-MAC单链结构与双链结构的各项性能,同时在单链的情况下横向对比了LM-MAC与IEEE802.11MAC。

图11显示了网络吞吐量与网络负载之间的关系,可以看到在负载较小时,吞吐量与负载两者的关系为正相关,随着负载的增加,LM-MAC的单链网络、双链网络与IEEE802.11MAC的吞吐量逐渐增加。双链网络在负载较小的时候吞吐量要大于单链网络,当负载达到一定程度,吞吐量就到达上限,之后即使网络负载再增加,吞吐量也将维持不变,在此趋势的基础上,IEEE802.11MAC单链网络的整体吞吐量要小于LM-MAC。

图11 吞吐量与负载变化趋势

图12表明了传输时延与网络负载之间的关系,单链网络在网络负载为40%之前传输时延都非常小,可见在低负载的情况下,数据冲突小,传输效率高,之后由于冲突加大传输时延增加,但一直到满负载基本维持一条水平线,说明LM-MAC协议有效缓解了冲突概率。双链网络与单链网络的变化趋势类似,但是在负载为20%之后传输时间就开始陡增,由于双链网络的冲突比单链网络更多,所以整体传输时延较高。但是在负载增大后,传输时延维持了一个比较稳定的数值,而IEEE802.11MAC的整体延时要高于单链网络,但因为网络结构比双链简单,所以延时低于双链网络。

图12 数据包传输时延与负载变化趋势

图13展现了数据包投递率与网络负载之间的关系,可以看到两种MAC单链网络在负载为30%之前,数据包投递率都是一直为100%。随着负载的增加而逐渐减小,IEEE802.11整体要低于LM-MAC,而双链网络整体上随着负载的增加,数据包投递率一直在变小,但曲线逐渐平缓,也表明数据包投递率逐渐稳定。

图13 数据包投递率与负载变化趋势

综上所示,LM-MAC协议应用在单链网络由于结构简单,消息冲突少,整体性能要优于IEEE802.11MAC,而且LM-MAC应用在双链网络的结果表现出其对于冲突情况有着很好的处理能力,整体通信网络依然可以保持较好性能。

3 结 论

本文提出了一种基于磁感应通信的水下链式网络MAC协议—LM-MAC,依据拓扑位置生成每个节点的不同等级值,每个节点根据等级控制数据转发规则。每个节点设置了接收、发送、监听和睡眠四种状态机,根据工作条件不同进行状态转换。仿真结果表明了LM-MAC协议可以减少网络通信负荷,在传输延时、数据包成功投递率等指标都有明显提高。